巷道走向平行于岩体层面条件下横观各向同性岩体位移反分析的基础理论研究

Rock mass is an extremely complex geological body formed through a long geological evolution, therefore it is very difficult to get its accurate physical and mechanical parameters, and “parameters provided are not accurate” has become a bottleneck problem for theoretical analysis and numerical simulation. So, several basic theories research on displacement back analysis of transversely isotropic rock mass under the condition that the tunnel strike is parallel to the isotropic plane will be accomplished in this program, in order to provide new research ideas and methods to ascertain the parameters of transversely isotropic rock mass accurately and quickly.. The research includes displacement analytical solution, uniqueness of displacement back analysis, optimization of measurement points layout and engineering application.. Firstly, the displacement analytical solution of a deep circular tunnel will be derived. Based on the complex function expression of stress function, the complex function expression of displacement components in transversely isotropic solid will be deduced, and then the displacement analytical solution of the tunnel with arbitrary cross section in transversely isotropic rock mass will be derived by conformal mapping method.. Secondly, the uniqueness of displacement back analysis for the circular, elliptical and complex tunnel in transversely isotropic rock mass will be discussed respectively by means of identifiability conditions.. Thirdly, the optimization of measurement points layout of displacement back analysis in transversely isotropic rock mass will be preliminary studied according to the maximum displacement viewpoint.. In the end, the associated engineering applications will be studied to certify the basic theories.

岩体是在漫长的地质演化过程中形成的性质极其复杂的地质体，要想获得准确的岩体参数非常困难，“参数给不准”已成为岩石力学理论分析和数值模拟的“瓶颈”问题。本项目针对巷道走向平行于岩体层面条件下横观各向同性岩体位移反分析的基础理论展开研究，为准确快速地确定横观各向同性岩体的参数提供新的研究思路。. 研究内容主要包括位移解析解、反分析的唯一性、测点优化布置和工程应用等。首先，推导横观各向同性岩体中圆形巷道的位移解析解；根据应力函数的复变函数表示，推导横观各向同性平面应变问题中位移分量的复变函数表示；在此基础上，利用保角映射，推导横观各向同性岩体中任意形状巷道的位移解析解。第二，从参数可辨识条件出发，分析横观各向同性岩体中圆形、椭圆形和复杂形状巷道位移反分析的唯一性。第三，根据最大位移原则对位移反分析的测点优化布置进行初步研究。最后，对工程应用展开研究，验证理论的正确性。

一方面，由于横观各向同性岩体在地表分布非常广泛，在工程建设中遇到大量的横观各向同性岩体稳定性问题。另一方面，岩体是在漫长的地质演化过程中形成的性质极其复杂的地质体，要想获得准确的岩体物理力学参数非常困难，“参数给不准”已成为岩石力学理论分析和数值模拟的“瓶颈”问题。因此，本文针对横观各向同性岩体位移反分析的基础理论展开研究，为准确快速地确定横观各向同性岩体的参数提供新的研究思路和方法。.研究内容主要包括位移解析解、反分析的唯一性、测点优化布置和工程应用等。.将正交各向异性岩体的应力解析解退化为横观各向同性岩体的应力解析解，在此基础上，推导了横观各向同性岩体中巷道的位移解析解。位移解析解是进行位移反分析的唯一性研究的前提；位移解析解还可用于位移反分析中的测点优化布置研究、逆反分析法研究和参数敏感性分析等。.从参数可辨识条件出发，分析了横观各向同性岩体中巷道位移反分析的唯一性，结果表明，即使布置很多的测点，也不可能唯一地反演所有参数。将反分析唯一性的成果列表表示，便于工程反分析查表使用；针对一定形状的洞室，可以确定必须已知哪些参数时，才可以反演另外的参数；明确各个参数可辨识性的优劣。.分别根据最大位移准则、最大灵敏度准则和最小方差准则对横观各向同性岩体中位移反分析的测点优化布置进行了研究，对指导各向异性岩体工程的位移监测及反分析具有重要意义。.在工程应用方面，本项目开发了《地下洞室位移监测资料快速分析系统V1.0》和《横观各向同性位移反分析唯一性论证软件V1.0》，并分别申请了软件著作权登记；提出了一种用于反演横观各向同性岩体地应力的方法，并申请了发明专利；将位移测点优化布置的准则与数值分析相结合，开发了测点优化布置的方法。.项目研究不仅将丰富各向异性岩体位移反分析的理论体系，而且可以指导各向异性岩体工程中的稳定性分析、参数辨识和测点布置等工作。因此，本项研究既具有理论价值，又具有实际工程意义。